لینک پرداخت و دانلود *پایین مطلب*
فرمت فایل: Word (قابل ویرایش و آماده پرینت)
تعداد صفحه :52
بخشی از متن مقاله
1-3- موتور پله‌ای چیست و مشخصه های اساسی آن کدامند؟
شکل 1-1 مقطع عرضی ساختار یک موتور پله‌ای مدرن نمونه را نشان می دهد؛ این موتور به نام موتور رلوکتانس متغییر تک پشته ای[1] خوانده می شود. ما ابتدا با استفاده از این شکل نحوه عملکرد این ماشین را مطالعه خواهیم کرد. هسته استاتور دارای شش قطب یا دندانه برجسته می باشد، روتور هم دارای چهار قطب است، هر دو هسته روتور و استاتور از جنس فولاد نرم هستند. سه دسته سیم پیچی همانطور که در شکل نشان داده شده، آرایش داده شده اند. هر دسته دارای دو کلاف است که بصورت سری متصل شده اند. یک دسته از سیم پیچی ها فاز نامیده می شود، و نتیجتاً این ماشین یک موتور سه فاز است. جریان از یک منبع تغذیه DC از طریق کلیدهای I، II، III به سیم پیچی ها تامین می شود. در وضعیت (1)، سیم پیچی فاز I از طریق جریان کلید I تغذیه می شود، یا به اصطلاح فنی فاز I تحریک می شود؛ شار مغناطیسی ناشی از تحریک که در فاصله هوایی واقع می شود با پیکانهایی نشان داده شده است. در وضعیت (1)، دو قطب برجسته استاتور فاز I که تحریک شده اند با دو دندانه از چهار دندانه روتور هم ردیف هستند. این حالت از نظر دینامیکی یک حالت تعادل است. هنگامیکه کلید II برای تحریک فاز II علاوه بر فاز I بسته می شود، شار مغناطیسی در قطبهای استاتور فاز II به حالت نشان داده شده در وضعیت (2) بوجود می آید، و گشتاوری در جهت عکس ساعتگرد بعلت “کشش”[2] در خطوط خمیده میدان مغناطیسی بوجود می آید. از اینرو روتور سرانجام به وضعیت (3) خواهد رسید.
از اینرو روتور با یک زاویه ثابت می چرخد، که “زاویه پله”[3] خوانده می شود، که در این مورد 15 درجه با انجام هر عمل سوئیچینگ است. اکنون اگر کلید I برای تخلیه انرژی فاز I باز شود، روتور 15 درجه دیگر برای رسیدن به وضعیت (4) حرکت خواهد کرد.
پس موقعیت زاویه ای روتور را می توان برحسب واحدهای زاویه پله از طریق فرآیند سوئیچینگ کنترل کرد. اگر سوئیچینگ به ترتیب انجام شود، روتور با حرکتی پله‌ای خواهد چرخید؛ سرعت متوسط را هم می توان از طریق فرآیند سوئیچینگ کنترل کرد.
امروزه، ادوات حالت جامد[4] بعنوان سوئیچ های الکترونیکی در درایو یک موتور پله‌ای بکار می روند، و سیگنال های سوئیچینگ توسط ICهای دیجیتال یا ریزپردازنده تولید می شوند (شکل 2-1). همانطور که در بالا ذکر شد، موتور پله‌ای یک موتور الکتریکی است که ورودی الکتریکی دیجیتال را به یک حرکت مکانیکی تبدیل می‌کند. در مقایسه با دیگر ادواتی که می توانند اعمال مشابه یا یکسانی را انجام دهند، سیستم کنترلی که از یک موتور پله‌ای بهره می برد دارای چندین مزیت مشخص بترتیب زیر است:
- معمولاً به هیچ فیدبکی برای کنترل موقعیت[5] یا کنترل سرعت نیاز نمی باشد.
- خطای موقعیت جمع ناپذیر[6] است.
- موتورهای پله‌ای با تجهیزات دیجیتال مدرن سازگار هستند.
به این دلیل، انواع و کلاس های مختلف موتورهای پله‌ای در لوازم جانبی کامپیوتر، دستگاههای خودکار، و سیستم های مشابه بکار رفته اند.
2-3- تاریخچه ابتدایی موتورهای پله‌ای
در شماره ای از [1]JIEE چاپ سال 1927 مقاله ای با عنوان “کاربرد الکتریسیته در ناوهای جنگی” وجود داشت، و بخشی از این مقاله یک موتور پله‌ای رلوکتانس متغییر سه فاز از نوع فوق را تشریح می کرد که برای کنترل از راه دور نشانگر جهت تفنگها و لوله های اژدرافکن[7] در ناوهای جنگی انگلیسی بکار رفته بود. همانطور که در شکل 3-1 نشان داده شده، یک کلیدگردان مکانیکی برای سوئیچینگ جریان تحریک بکار رفته بود. یک دور چرخش هندل شش پالس پله‌ای تولید می کند که باعث 90 درجه حرکت روتور می شود. حرکت روتور در پله های 15 درجه بمنظور رسیدن به دقت موقعیتی[8] لازم کاهش می یابد.
در این مقاله اشاره شده بود که در طراحی این موتور پله‌ای ظاهراً ساده فاکتورهای بسیاری می بایست مورد توجه قرار گیرند و احتیاطهای بسیاری بمنظور عملکرد مطلوب و مطمئن لحاظ شوند. این ماشین نیاز به نسبت بالای گشتاور به اینرسی اجزاء متحرک بمنظور اجتناب از دست دادن پله دارد، و ثابت زمانی، نسبت اندوکتانس مدار به مقاومت، بایستی کوچک باشد تا به سرعت عملکرد بالایی دست یافت. این مسائل هنوز هم در موتورهای مدرن وجود دارند.
براساس مقاله‌ای[2] در IEEE Transactions on Automatic Control، موتورهای پله‌ای بعدها در نیروی دریایی ایالات متحده با هدفی مشابه بکار گرفته شدند. با اینکه کاربردهای عملی موتورهای پله‌ای مدرن در دهه 1920 واقع شد، اشکال اولیه موتورهای رلوکتانس متغییر به واقع از قبل وجود داشتند. در مقاله ای نوشته [3]Byrne آمده است: “موتورهای رلوکتانس از نوع پله ای، که اکنون بعنوان ادوات تعیین موقعیت[9] بکار می روند، مثل “ماشین های بخار الکترومغناطیسی”، موتورهای الکتریکی نیمه قرن نوزدهم بودند”. ما در اینجا به دو نوع اختراع قابل ذکر در سالهای 1919 و 1920 در انگلستان می پردازیم.
1- ساختار دندانه ای برای به حداقل رساندن زاویه پله. امتیاز اختراعی در انگلستان در سال 1919 توسط یک مهندس عمران در آبردین، اسکاتلند، بنام C.L.Wakler بخاطر اختراع نوعی ساختار موتور پله‌ای اخذ شد که قادر بود با زاویه‌های پله کوچک حرکت کند. هر یک از قطبهای برجسته دارای یک گروه دندانه کوچک است. دندانه های روتور در گام یکسان با دندانه‌های کوچک استاتور می‌باشند، هنگامیکه فاز I تحریک می شود و شار مغناطیسی در طول مسیری که با منحنی خط چین روی شکل نشان داده شده واقع می شود، گروههای دندانه ها در این فاز با برخی دندانه های استاتور همانطور که در شکل (b) 4-1 نشان داده شده هم ردیف می‌شوند. در این آرایش، دندانه های روتور و استاتور در فازهای II و III بایستی به اندازه 3/1 گام دندانه در جهات متقابل ناهمردیف[10] شوند. هنگامیکه جریان تحریک از فاز I به فاز II سوئیچ می شود، روتور در جهت ساعتگرد به اندازه یک زاویه پله که در این مورد °75/3 = 3/ (32/360) می باشد خواهد چرخید. بهرحال اگر جریان تحریک به فاز III سوئیچ شود، چرخش در جهت عکس ساعتگرد با همان زاویه کوچک خواهد بود. Walker در مشخصات اختراع ثبت شده طرحی را برای ساخت نوعی از موتور پله‌ای که امروزه به نام نوع رلوکتانس متغییر چند پشته‌ای خوانده می شود به همراه طرح‌هایی برای ساخت یک موتور خطی ارائه کرد. بهرحال در دهه 1950 بود که موتورهای پله‌ای مدرن که از اساس این اختراع بهره می بردند بصورت تجاری عرضه شدند.
2- تولید گشتاوری بزرگ از یک ساختار ساندویچی. C.B.Chicken و J.M.Thain در نیوکاسل در تین[11] به سال 1920، امتیاز اختراعی را در آمریکا[5] بخاطر اختراع یک موتور پله‌ای که می توانست گشتاور بزرگی به ازای واحد حجم روتور تولید نماید به ثبت رساندند. که ویژگی قابل ذکر آن فولاد نرم روتور است که پی در پی از بین دو هسته الکترومغناطیس متقابل می کند. این ساختار که در آن دندانه های روتور بوسیله دندانه های استاتور احاطه شده‌اند تنها ساختار شناخته شده ایست که می تواند بزرگترین گشتاور را از واحد حجم روتور تولید کند.اما در دهه 1970 بود که یک موتور پله‌ای با بهره گیری از این قاعده بعنوان یک موتور پله‌ای قدرت در ماشینهای کنترل عددی (NC) ساخت شرکت ژاپنی Fanuc Ltd بکار گرفته شد.
3-3- فعالیتهای دانشگاهی
در اواخر دهه 1950 تحقیقات بسیاری روی موتورهای پله‌ای در دانشگاهها و آزمایشگاههای شورهای پیشرفته صنعتی آغاز شد. نتایج تحقیقات در مجلات و ژورنالهای فنی منتشر شدند. دردهه 1970، دو گردهمایی بین‌المللی برگزار شد که متخصصین گروههای صنعتی و دانشگاهی از سراسر جهان برای تبادل گزارشات گردهم آمدند و بحث هایی را انجام دادند. یکی از آنها “سمپوزیوم سیستمها و ادوات کنترل حرکت پیشرفته” بود که سالانه تا سال 1972 با ریاست پرفسور B.C.kuo از دانشگاه Illinois در Urbana-Champaign برگزار شد، و گردهمایی دیگر “کنفرانس بین‌المللی ادوات و موتورهای پله‌ای” با ریاست پرفسور P.J.Lawrenson از دانشگاه Leeds انگلستان که تا کنون سه بار (در سالهای 1974، 1976، 1979) برگزار شده است. موتور پله‌ای همچنین به عنوان موضوعی در “کنفرانس بین‌المللی ماشینهای الکتریکی کوچک” که توسط انستیتوی مهندسین برق در لندن به سال 1976 برگزار شد، انتخاب گردید.
4- طرح کلی موتورهای پله‌ای مدرن
در فصل پیش پیشرفت های تاریخی موتورهای پله‌ای را در رابطه با تکنولوژی کنترل عددی دنبال کردیم. در این فصل، نگاهی کلی به انواع گوناگون موتورهای پله‌ای که در حال حاضر بکار می روند خواهد شد، و ساختار و اصول اساسی آنها بدون استفاده از روابط ریاضی بررسی خواهند شد. اصطلاحات فنی که در رابطه با موتورهای پله‌ای بکار می روند تعریف و معانی آنها بررسی خواهد شد.
1-4- سیستم های کنترل حلقه- باز
بطور کلی، موتورهای پله‌ای توسط مدارات الکترونیک، اکثراً با منبع تغذیه DC، کار می کنند. موتور پله‌ای در مقایسه با موتورهای معمولی AC یا DC، که اکثراً بطور مستقیم از یک منبع تغذیه درایو می شوند، یک موتور منحصر بفرد می باشد. بعلاوه، موتورهای پله‌ای در کنترل سرعت و موقعیت بدون حلقه های فیدبک پرهزینه کاربرد پیدا می کنند. این روش درایو به نام درایو حلقه- باز خوانده می شود. این بخش به اصول کنترل حلقه- باز موتورهای پله‌ای خواهد پرداخت. جزئیات مدارات الکترونیک عملکرد حلقه- باز در فصل 5 مورد بحث قرار گرفته اند.
با اینکه کنترل حلقه- باز از نظر اقتصادی روش درایو با صرفه ای است، از محدودیت رها نیست. بطور مثال، چرخش روتور در محدوده های سرعت مشخصی بشکل نوسانی و ناپایدار در می آید، و بخاطر این مشخصه رفتاری، سرعت و شتاب یک موتور پله‌ای کنترل شده توسط یک طرح حلقه- باز نمی تواند به سرعت یک موتور DC درایو شده توسط یک طرح کنترل- فیدبک باشد. از اینرو، در تلاش برای گسترش محدوده های کاربردی، توقف نوسان مساله ای اساسی است که بایستی حل شود. کنترل حلقه- بسته که روش درایو موثر بدور از ناپایداری بوده و قادر به افزایش سرعت سریع می باشد.
1-1-4- ترکیب سیستم
برای درک ترکیب اساسی سیستم درایو موتور پله ای، درایو یک نوار پانچ را که در ماشینهای کنترل عددی بکار رفته بررسی می کنیم. یک پانچ کننده نوار از یک موتور پله‌ای برای فرستادن نوار کاغذ استفاده می کند. دستورالعمل های کاری ماشینهای کنترل عددی به شکل سوراخهای ایجاد شده توسط این وسیله ذخیره شده‌اند.
موتور پله‌ای بکار رفته برای این منظور معمولاً یک موتور دو- سه یا چهار فاز می باشد. در اینجا یک موتور سه فاز شامل سه دسته سیم پیچی را بررسی می کنیم.
مهمترین ویژگی موتور پله‌ای این است که با یک زاویه ثابت به ازای هر پالس اعمال شده به توالی ساز منطقی[12] می چرخد. مقدار نامی این زاویه (درجه) زاویه پله خوانده می شود.
با دریافت یک پالس دستور پله، توالی ساز منطقی فازی را که باید تحریک (یا انرژی دار) شود و فازی را که بایستی تخلیه انرژی شود تعیین می کند، و سیگنالهایی به درایور موتور که طبقه کنترل کننده جریان تحویلی به موتور می باشد، می فرستد. توالی ساز منطقی معمولاً با تراشه های مدار مجتمع TTL یا CMOS ساخته می شود. هنگامیکه پتانسیل یک کانال خروجی توالی ساز منطقی در سطح H (=بالا) می باشد، درایور قدرت برای تحریک فاز متناظر سیم پیچی عمل می کند. بطور مشابه، اگر خروجی در سطح L باشد، فاز همشماره تحریک نمی شود، یا خاموش می شود. همانطور که در شکل 3-2 نشان داده شده، اگر موتور با ترتیب تحریک …1321 در جهت ساعتگرد (CW=) حرکت کند، جهت چرخش با ترتیب عکس…1231 در جهت عکس ساعتگرد (CCW=) خواهد بود. در سیستم پانچ نوار، ترتیب معمولاً برای فرستادن نوار در یک جهت ثابت است. بطور کلی، هیچ قاعده مشخصی برای تعیین اینکه کدام جهت ساعتگرد یا عکس آن است وجود ندارد، موتوری که از یک سر در جهت ساعتگرد می چرخد اگر از سر دیگر دیده شود بنظر می رسد که در جهت عکس ساعتگرد حرکت می کند. جهت چرخش معمولاً با تطبیق بخشهای مورد نظر معین می شود.
در این جا فازها با Ph1، Ph2، Ph3 و غیره نشان داده شده اند. یا PhA، PhB برای برخی موتورهای دو فاز. تحریک بکار رفته در شکل 3-2 تحریک تکفاز یا یکفاز[13] خوانده می شود، و به این معنی است که به یک فاز از سه فاز (یا از چهار فاز در یک موتور چهار فاز) در هر لحظه توان تحویل داده می شود. تحریک تکفاز اغلب به منظور تشریح اصول اساسی موتورهای پله‌ای ذکر می شود. اما همیشه بهترین روش درایو کردن نیست.
2-1-4- پله و نمو[14]
داده‌ها در هشت ردیف روی یک نوار ضبط شده اند؛ به این معنی که، در هر خط هشت سوراخهای راهنما[15] وجود دارند که دندانه های چرخ دنده به آنها وارد می‌شوند. خطوط در فواصل 10/1 اینچی (mm45/2) قرار داده شده اند. هنگام ذخیره داده‌ها روی یک نوار بوسیله نوار پانچ کن دستی یا کامپیوتر، نوار mm45/2 جلو رانده می‌شود، برای پانچ یک خط متوقف می شود، و سپس به اندازه mm45/2 دیگر جلو برده می شود و دوباره متوقف می شود، و همینطور. ساده ترین راه برای پیش راندن نوار به اندازه گام یک خط اعمال یک پالس واحد به توالی ساز منطقی می باشد، به این ترتیب موتور به اندازه یک پله درایو شده، چرخ دنده با زاویه ای معادل یک پله چرخانده می شود، و از اینرو نوار به اندازه mm45/2 رانده می شود. اما روش دیگر درایو موتور پله‌ای به اندازه چندین زاویه پله برای پیش راندن نوار به اندازه یک خط است. بعنوان مثال، یک موتور چهار فاز با زاویه پله °8/1 را می توان برای پیش راندن نوار به اندازه گام یک خط با چهار پله بکار برد. قطر چرخ دنده به اندازه یک چهارم کاهش می یابد، و در نتیجه، اینرسی چرخ دنده به اندازه 256/1=4 (4/1) برابر از چرخ دنده بکار رفته در روش حرکت تک پله‌ای کمتر خواهد بود.
متن کامل را می توانید بعد از پرداخت آنلاین ، آنی دانلود نمائید، چون فقط تکه هایی از متن به صورت نمونه در این صفحه درج شده است.
دانلود فایل
دانلود مقاله کامل درباره موتور پله ای
